炒股配资平台排名由双电子注入引发的导致氧化层退化和击穿的微观机制

四种常见的器件失效机理

EM：Electron Migration，电迁移

TDDB：Time Dependent Dielectric Breakdown，经时击穿

NBTI：Negative-Bias Temperature Instability，负偏置温度不稳定性

PBTI：Positive Bias Temperature Instability，正偏置温度不稳定性

HCI：Hot Carrier Injection，热载流子注入

EM：

EM：指在高电流密度下电子的流动导致金属原子移动的现象，也称之为“金属迁移”。在电流密度很高的导体上，电子的速度较快，可能使一些金属原子脱离金属表面到处流窜，结果将会导致原本光滑的金属导线的表面变得凹凸不平，进而造成永久性损伤。

这种损伤是个逐渐积累的过程，当这种“凹凸不平”多到一定程度的时候，将会导致IC互连线路出现空洞、断裂或短路的现象，而最终使得IC报废。温度越高，金属离子越活泼，电子越容易推动这种迁移，其损害线路花费的时间就越少，即IC的寿命也就越短，这也就是高温会缩短IC寿命的本质原因。

影响因素：温度，电流密度，几何尺寸和形状，金属材料

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电迁移现象示意图

TDDB：

经时击穿（TDDB）：指栅氧化层等薄介质材料在长期电场作用下逐渐退化，最终导致绝缘失效的现象。其核心机理是介质内部缺陷（如针孔、杂质）在高电场下引发电荷注入和陷阱积累，最终形成导电通路。失效时间 tBD 与电场强度 E 和温度 T 密切相关。

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栅氧化层寿命预测：通过加速测试（施加高于工作电场的电压），测量不同条件下的 tBD，外推实际工作电场下的器件寿命。例如，用 E 模型（热化学击穿模型）或 1/E 模型（空穴诱导击穿模型）进行拟合。

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下图对比了在SiO₂和HfO₂两种材料中，由双电子注入引发的导致氧化层退化和击穿的微观机制。过程始于氧化层中存在的缺陷前体（Defect precursor, P），在SiO₂中为宽O-Si-O键，在HfO₂中为氧空位（Vo）。当缺陷捕获两个电子后，会生成一个间隙氧离子（O²⁻）和一个氧空位（Vo）。新生成的 Vo 在捕获两个电子后，又会形成新的 Defect precursor，这一循环持续进行，直至氧化层发生击穿。

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在SiO₂中，宽O-Si-O键作为 precursor（图a），而在HfO₂中，Vo 是最常见的 Defect precursor 位点（图f）。然而，在这两种情况下，当一个P位点捕获2e⁻（如图b所示为SiO₂，图g所示为HfO₂）时，相邻的键被削弱，再加上电场和温度的影响，导致 Frenkel 对的形成，即中性的Vo（这些是主要协助介电层中电荷传输的缺陷）和氧离子（O²⁻），见图c（SiO₂）和图h（HfO₂）。新生成的 Vo 可能会增加漏电流，并最终导致介电击穿。此外，如图d-e所示，当生成的 Vo 捕获 2e⁻（即图中的Vo²⁻）时，在其附近会形成一个新的 Defect precursor 位点（即对于SiO₂来说是宽O-Si-O键），从而促进一个自维持过程。在HfO₂中，Vo 既作为增加漏电流（最终导致介电击穿, dielectric breakdown）的缺陷，又作为 Defect precursor 位点，协助新 Vo 缺陷的形成。

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工艺缺陷检测：TDDB 测试可暴露二氧化硅层中的针孔、杂质等微观缺陷。初始微缺陷可能被薄氧化层暂时覆盖，但长期电场作用会通过 TDDB 效应引发击穿失效。

影响因素：电场强度（高电场显著加速TDDB过程）；温度（温度升高会缩短失效时间）；介质质量（SiO2, HfO2 等栅介质厚度均匀性、界面态密度、杂质含量直接影响TDDB寿命）。

NBTI：

NBTI：指在 IC 芯片工作中，PMOS 的栅极氧化层在受到负偏置和高温作用时，其性能发生退化的一种现象。具体表现为 MOS 管的阈值电压 VT 发生正向漂移，导致导通电流 Ion 下降、延迟增加，最终影响芯片的 performance and reliability.

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NBTI

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MOSFET导电通道中的空穴反型层破坏了位于Si/IL界面的Si-H键；释放出的氢原子从界面过渡层（SiOx）和IL内扩散；当到达Si/IL界面时，这些氢原子与更多的氢原子反应，破坏Vo-H（Oxygen vacancies passivated with hydrogen，被氢钝化的氧空位）键。键破坏后会产生悬挂键，并且在界面层内形成H₂分子，因此在较长的应力作用时间下，NBTI将由从Si/IL到IL/HK界面的H₂分子扩散所主导。

捕获空穴：在负偏置条件下，栅极电压吸引空穴向栅极氧化层界面移动。这些空穴会被氧化层中的陷阱捕获，形成固定的正电荷。捕获的空穴会改变氧化层的电场分布，导致阈值电压发生漂移。

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Si-H 键的断裂与重构：在负偏置电场的作用下，由于 Si-H 键的键能相对较小，氢原子容易从 Si-H 键中解离出来，形成氢空位和悬挂键。悬挂键会增加界面态密度，捕获更多的空穴，加剧阈值电压的漂移。同时，解离出来的氢原子可能在氧化层中迁移，重新与其它硅原子结合，形成新的 Si-H 键，这一过程可称为重构。重构虽然可以在一定程度上恢复晶体管的性能，但无法完全抵消 Si-H 键断裂带来的负面影响。

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详细地说，当晶体管开始工作时，PMOS 晶体管的栅源电压处于负偏置状态（Vgs=-Vdd）时，当经历高温和一定时间的负偏置状态后，在 Si-SiO2 界面处作用力较弱的 Si-H 键会发生断裂，使沟道内留下界面陷阱和氢原子。而氢原子的不稳定性会使其更容易结合成氢气，并从器件的栅极溢出。伴随负偏置状态持续时间不断增加，界面陷阱的密度呈直线上升，导致PMOS晶体管的阈值电压 VT 也不断升高；当PMOS晶体管的栅源电压处于正偏置状态（Vgs=0）时，这个阶段可以成为重构阶段。此时，之前由氢原子结合成的部分氢气在获得能量的情况下重新断开，并在反向电场的作用下与界面陷阱（Si+）重新结合形成新的 Si-H 键，这样会使沟道内的界面陷阱的密度下降，从而使得晶体管的阈值电压得到恢复。

PBTI：

随着工艺节点的推进，PBTI 也不容忽视。PBTI的全称是 Positive Bias Temperature Instability，它与 NBTI（Negative Bias Temperature Instability）类似，但作用于 NMOS 而非 PMOS。PBTI是指在芯片工作过程中，NMOS 晶体管的栅极氧化层在受到正偏置和高温作用时，其性能发生退化的一种现象。具体表现为晶体管的阈值电压发生负向漂移，导致驱动电流下降、延迟增加。

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PBTI

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与NBTI一样，PBTI模型由三个相互独立的组成部分：

（1）界面陷阱在IL/HK界面的产生；

（2）电子被陷阱捕获进入HK介质层中的预先存在的缺陷；

（3）在应力作用下，HK介质层内陷阱的产生。

图中显示了在HKMG技术中，PBTI由界面陷阱生成所主导。在这种情况下，界面陷阱的生成在界面和高-κ介质层之间，以及在高-κ介质层内被钝化的氧空位的激活，都是由于电子在沟道处于反型时隧穿进入界面介质并向IL/HK界面移动，导致Vo-H键断裂。在IL/HK界面释放的氢原子扩散、反应，并在高-κ介质和金属栅电极（HK/MG）界面处破坏钝化的缺陷。从HK/MG界面扩散的H₂分子是PBTI的主导因素。

相关链接：Gate first 和 Gate last 对比

对于NBTI效应来说，加反向电压能进入恢复模式；对于HCI效应来说，停止使用能进入恢复模式。但是虽然可以一定程度上恢复部分性能，但长时间而言，芯片是会逐渐老化的。

HCI：

在短沟道晶体管中，由于Si–SiO2界面附近的高电场，电子或空穴可以从电场中获得足够的能量，以跨越界面势垒并进入氧化层。这种效应被称为热载流子注入。相较于空穴，电子从Si注入到SiO2的可能性更大，因为电子的有效质量低于空穴，并且空穴的势垒高度高于电子的势垒高度。热载流子：在高电场中，载流子被加速并获得高能量，这些高能载流子称为热载流子。注入机制：热载流子可能穿过栅氧化层，导致氧化层损伤或界面态增加。

在MOSFET中，HCI的产生主要与以下四种机制相关：

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详细的HCI介绍可以看之前发的文章：链接如下: Leakage current mechanism-HCI-热载流子注入漏电四大失效机理对比图

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Reference:

1.Advanced Concepts for TDDB Reliability in Conjunction with 3D Stress.

2.From Accelerated to Operating Conditions: HowTrapped Charge Impacts on TDDB inSiO2 and HfO2 Stacks.

3.Model of NBTI combined with mobility degradation.

4.On the Prediction of the Threshold Voltage Degradation in CMOS Technology Due to Bias-Temperature Instability.

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